Tidak ada hukum fisika, hanya bentang alam

Para ilmuwan mencari satu deskripsi realitas. Tetapi fisika modern memungkinkan kita untuk menggambarkannya dalam banyak cara, banyak di antaranya setara satu sama lain, dan terhubung melalui lanskap luas kemungkinan matematika

Misalkan kita meminta Alice dan Bob untuk memasak. Alice menyukai makanan Cina, Bob menyukai makanan Italia. Masing-masing dari mereka memilih resep favorit mereka, dibeli di toko lokal yang berspesialisasi dalam produk yang tepat, dan dengan hati-hati mengikuti instruksi. Tetapi ketika mereka mengeluarkan piring dari oven, mereka sangat terkejut. Ternyata kedua hidangan itu identik. Orang bisa membayangkan pertanyaan eksistensial apa yang akan ditanyakan Alice dan Bob. Bagaimana masakan yang sama bisa dibuat dari bahan yang berbeda? Apa artinya memasak masakan Cina atau Italia? Apakah ada kesalahan fatal dalam pendekatan mereka dalam memasak?

Justru kebingungan seperti itu dialami oleh para spesialis dalam fisika kuantum. Mereka menemukan banyak contoh dari dua deskripsi yang sama sekali berbeda dari sistem fisik yang sama. Hanya dalam kasus fisika, bahan-bahannya bukan daging dan saus, tetapi partikel dan kekuatan; resep adalah rumus matematika yang menyandikan interaksi; dan memasak adalah prosedur kuantisasi yang mengubah persamaan menjadi probabilitas fenomena fisik. Dan, seperti Alice dan Bob, fisikawan bingung bagaimana resep yang berbeda menghasilkan hasil yang sama.

Bisakah alam memilih hukum dasarnya? Albert Einstein, seperti yang Anda tahu, percaya bahwa ada cara unik untuk membangun versi alam semesta yang konsisten dan bekerja berdasarkan prinsip-prinsip dasar. Dari sudut pandang Einstein, jika kita masuk cukup dalam ke esensi fisika, akan ada satu cara di mana semua komponen - materi, radiasi, kekuatan, ruang, waktu - akan terhubung satu sama lain, sehingga kenyataan bekerja, disamakan dengan seperti roda gigi, pegas, cepat dan katrol dari arloji mekanik, mereka secara unik menggabungkan dan menghitung waktu.

Model Standar saat ini untuk Fisika Partikel, pada kenyataannya, mekanisme yang dirancang dengan hati-hati dengan beberapa bahan. Dan, bagaimanapun, alih-alih tetap unik, Semesta adalah salah satu dari jumlah dunia yang tak terbatas. Kita sama sekali tidak tahu mengapa set partikel dan kekuatan seperti itu mendasari struktur alam. Mengapa ada enam rasa quark, tiga generasi neutrino, dan satu partikel Higgs ? Selain itu, Model Standar mencantumkan 19 konstanta alam - nilai-nilai seperti massa dan muatan elektron - yang perlu diukur secara eksperimental. Arti dari " parameter bebas " ini tampaknya tidak memiliki makna yang dalam. Di satu sisi, fisika partikel adalah keajaiban keanggunan; di sisi lain, cerita bahwa itu semua karena itu.

Jika dunia kita adalah satu dari banyak dunia, apa yang harus dilakukan dengan alternatifnya? Sudut pandang saat ini dapat dilihat sebagai kebalikan dari mimpi Einstein tentang kosmos yang unik. Fisikawan modern mengambil ruang besar kemungkinan dan mencoba memahami logika umum dan keterkaitannya. Dari para pencari emas, mereka berubah menjadi ahli geografi dan ahli geologi, menandai detail lanskap dan mempelajari kekuatan yang membentuknya.

Teori string membantu mengubah situasi dan mengubah perspektif. Pada saat ini, ini adalah satu-satunya kandidat untuk teori alam, yang mampu menggambarkan semua partikel dan interaksi, termasuk gravitasi, sambil mematuhi aturan logis yang ketat dari mekanika kuantum dan teori relativitas. Berita baiknya adalah tidak ada parameter gratis dalam teori string. Dia tidak memiliki tombol tuning untuk bermain. Tidak ada gunanya menanyakan teori string yang menggambarkan Alam Semesta kita, karena hanya ada satu. Kurangnya fitur tambahan menyebabkan konsekuensi radikal. Semua jumlah alam harus ditentukan oleh fisika itu sendiri. Tidak ada "konstanta alami", hanya variabel yang ditetapkan oleh persamaan (mungkin sangat kompleks).

Dan itu membawa kita pada berita buruk. Ruang solusi teori string sangat besar dan kompleks. Dalam fisika, ini terjadi. Kami secara tradisional membedakan antara hukum dasar yang diberikan oleh persamaan matematika dan solusinya. Biasanya hanya ada beberapa undang-undang dan jumlah solusi yang tak terbatas. Ambil hukum Newton. Mereka ketat dan elegan, tetapi menggambarkan sejumlah besar fenomena, dari jatuhnya apel ke orbit bulan. Jika Anda mengetahui kondisi awal sistem tertentu, kemungkinan undang-undang ini memungkinkan Anda untuk menyelesaikan persamaan dan memprediksi apa yang akan terjadi selanjutnya. Kami tidak mengharapkan dan tidak memerlukan solusi unik yang menggambarkan segalanya.

Dalam teori string, ciri-ciri fisika tertentu yang biasanya kita anggap sebagai hukum alam - misalnya partikel atau interaksi tertentu - sebenarnya adalah solusi. Mereka ditentukan oleh bentuk dan ukuran dimensi ekstra tersembunyi. Ruang semua keputusan sering disebut "lanskap", tetapi ini adalah pernyataan yang mengerikan. Bahkan daerah pegunungan paling spektakuler pun akan tampak tidak masuk akal dibandingkan dengan luasnya ruang ini. Dan meskipun kita memahami geografinya dengan sangat buruk, kita tahu bahwa ada banyak sekali dimensi di dalamnya. Salah satu fitur yang paling menggoda adalah bahwa mungkin semuanya terhubung dengan segalanya - yaitu, setiap dua model terhubung secara terus menerus. Jika kita mengguncang Alam Semesta dengan cukup kuat, kita harus dapat bergerak dari satu dunia yang mungkin ke dunia lain, mengubah apa yang kita anggap sebagai hukum alam yang tidak berubah dan kombinasi khusus partikel-partikel unsur yang membentuk realitas kita.

Tetapi bagaimana kita dapat mempelajari lanskap luas dari model fisik Alam Semesta, di mana ratusan dimensi dapat muncul? Berguna membayangkan lanskap sebagai satwa liar yang belum berkembang, yang sebagian besar disembunyikan di bawah lapisan tebal kerumitan yang tidak dapat dilewati. Dan hanya di ujung-ujungnya saja kita dapat menemukan tempat yang bisa dihuni. Di pos-pos ini, hidup itu sederhana dan menyenangkan. Di sini kita menemukan model dasar yang benar-benar dapat dimengerti oleh kita. Mereka tidak banyak membantu menggambarkan dunia nyata, tetapi berfungsi sebagai titik awal yang nyaman untuk menjelajahi lingkungan sekitar.

Contoh yang baik adalah QED, kuantum elektrodinamika , yang menggambarkan interaksi antara materi dan cahaya. Dalam model ini, ada satu parameter, konstanta struktur halus α, yang mengukur kekuatan interaksi dua elektron. Secara absolut, mendekati 1/137. Dalam QED, semua proses dapat dianggap sebagai konsekuensi dari interaksi elementer. QED mengundang kita untuk mempertimbangkan semua cara yang memungkinkan di mana dua elektron dapat bertukar foton, yang dalam praktiknya akan membutuhkan fisikawan untuk menemukan jumlah yang sangat kompleks dan tak terbatas. Tetapi teori ini memberi kita solusi: setiap pertukaran foton berikutnya menambahkan istilah di mana α dinaikkan, dinaikkan ke tingkat tambahan. Karena jumlah ini agak kecil, anggota dengan sejumlah besar pertukaran memberikan kontribusi kecil. Mereka dapat diabaikan, memperkirakan secara kasar nilai "nyata".

Kami menganggap teori-teori yang digabungkan secara longgar ini sebagai pos terdepan dari lanskap. Di sini kekuatan interaksi kecil, dan masuk akal untuk berbicara tentang daftar belanja yang terdiri dari partikel-partikel elementer, dan resep untuk menghitung interaksi mereka. Tetapi jika kita meninggalkan lingkaran dalam kita dan pergi ke alam liar, koneksi akan menjadi lebih besar, dan setiap anggota tambahan akan mulai menjadi lebih penting. Dan sekarang kita tidak bisa lagi membedakan antara partikel-partikel individual. Mereka larut, berubah menjadi jaringan energi yang membingungkan, seperti bahan kue dalam oven panas.

Namun, tidak semuanya hilang. Terkadang jalan setapak melewati belukar gelap berakhir di pos lain. Yaitu, dalam model lain yang dikendalikan dengan baik, dirangkai dari serangkaian partikel dan interaksi yang sangat berbeda. Dalam hal ini, mereka menjadi dua resep alternatif untuk fisika dasar yang sama, seperti hidangan Alice dan Bob. Deskripsi pelengkap ini disebut model ganda, dan hubungan mereka disebut dualisme. Kita dapat mempertimbangkan dualisme ini dalam bentuk generalisasi besar dualitas gelombang-partikel yang terkenal, yang ditemukan oleh Heisenberg. Dalam kasus Alice dan Bob, itu mengambil bentuk transisi antara resep Cina dan Italia.

Mengapa fisika sangat menarik? Pertama, kesimpulan bahwa banyak, jika tidak semua model adalah bagian dari ruang yang saling berhubungan luas, adalah salah satu hasil paling menakjubkan dari fisika kuantum modern. Ini adalah perubahan perspektif yang layak untuk istilah " pergeseran paradigma ." Dia mengatakan bahwa alih-alih menjelajahi kepulauan dari masing-masing pulau, kami menemukan satu benua besar. Dalam arti tertentu, dengan mempelajari satu model cukup dalam, kita dapat mempelajari semuanya. Kita dapat mempelajari bagaimana model-model ini saling berhubungan, yang akan mengungkapkan kepada kita kesamaan dalam strukturnya. Penting untuk menekankan bahwa fenomena ini sebagian besar tidak tergantung pada pertanyaan apakah teori string menggambarkan dunia nyata atau tidak. Ini adalah sifat internal fisika kuantum yang tidak akan pergi ke mana pun, tidak peduli bagaimana masa depan "teori segalanya" ternyata.

Kesimpulan yang lebih radikal adalah bahwa kita harus menyingkirkan semua deskripsi tradisional fisika fundamental. Partikel, bidang, interaksi, simetri - ini semua adalah artefak keberadaan sederhana di pos-pos lanskap yang luas dari kompleksitas yang tak tertembus ini. Rupanya, pendekatan fisika dalam hal blok bangunan dasar tidak benar, atau setidaknya sangat terbatas. Mungkin ada platform baru yang radikal yang menggabungkan hukum-hukum dasar alam, mengabaikan semua konsep yang sudah dikenal. Kompleksitas matematis dan koherensi teori string sangat memotivasi sudut pandang ini. Tetapi saya harus mengatakannya dengan jujur. Sangat sedikit gagasan hari ini tentang mengganti partikel dan bidang yang “terlalu gila untuk menjadi kenyataan,” mengutip Niels Bohr . Seperti Alice dan Bob, fisika siap membuang resep lama dan mengadopsi masakan fusi modern.